内容概要
你知道么？
人类已经在海洋中航行了三万多年。从那时候起，人类就一直在观察和记录洋流。即使在今天，海洋学家也在发现有关洋流的新细节，尽管通常是有害事件，例如石油泄漏。- 来自不同文化背景的海员收集共享人类历史上关于洋流与风的观测结果，用于航海、贸易、探险。
- 汇编和绘制海洋观测图揭示了表层洋流的模式，包括海洋大小、环流、环流内的安静区。
- 科学家结合观测结果与数值模拟，确定表层洋流由风、地球自转、大陆位置所驱动。
- 洋流在全球范围内输运物质和能量，影响区域气候以及自然和人造材料的分布。
引言
锡特卡（Sitka）是阿拉斯加南部巴拉诺夫岛上的一个沿海小镇，从大陆无法开车到达。该镇拥有一个面向阿拉斯加湾（Gulf of Alaska）的大型港口，大多数人和物品到达锡特卡都是通过海运。还有其他东西也会从锡特卡周边的海洋而来。许多居民都是海滩爱好者，他们在海岸线上行走时会发现被冲上岸的物品。1992年11月16日，一位海滩漫步者在岩石众多的海滩小镇上发现了6个小塑料沐浴玩具——橡皮鸭。12天后，另一位海滩拾荒者在更北85公里的海滩上发现了20个玩具。到1993年夏天，在阿拉斯加海岸线850千米的海滩上，海滩漫步者发现并报告了数百种同类玩具。《锡特卡每日哨兵报》（Sitka Daily Sentinel）的兼职记者埃本·庞德森（Eben Punderson）对此很熟悉。他回忆起几年前一则引发全国注意的新闻报道：一艘载有耐克鞋的货轮遭遇风暴，丢失了几个集装箱，西雅图的两名海洋学家请大家报告被冲上岸的耐克鞋。这两位海洋学家，一位是在一家环境咨询公司工作的柯蒂斯·埃布斯迈尔（Curtis Ebbesmeyer），另一位是在美国国家海洋和大气管理局（NOAA）海洋渔业部的科学家詹姆斯·英格拉汉姆（James Ingraham）。此前，两人特意释放漂流瓶，里面装着瓶子在海洋中漂流的时间和地点的记录（瓶子承载信息），以此来绘制和模拟洋流。他们看到，多达80000个漂浮物体（耐克跑鞋）是个好机会。埃布斯迈尔和英格拉汉姆将鞋子分布与漂流瓶的路径进行比较。他们发现，鞋子的分布范围比漂流瓶大得多。然后，他们将这些数据整合到一个计算机程序中，即海洋表面洋流模拟（Ocean Surface Current Simulations, OSCURS）数值模型。该模型结合了大规模洋流、风速、风向，用以模拟漂流浮标的轨迹。他们使用OSCURS模拟漂流路径，也就是说，他们想看看这个模型是否能准确地再现耐克鞋从泄漏地点到锡特卡地区的路径和时间。根据建模，他们得出结论，除了主要洋流之外，风和近岸洋流一定也影响了鞋子，并于1992年发表了这些结果（Ebbesmeyer & Ingraham 1992）。论文中有一张显示回收位置和建模结果的地图（图 1）。
图 1：埃布斯迈尔和英格拉汉姆1992年发表的地图。N表示鞋子开始的位置，岸上黑点标明鞋子被发现的地点、被发现的日期、找到的鞋子数量。图片 © 1992.美国地球物理联盟
埃布斯迈尔和英格拉汉姆的工作发表后，引起了媒体的广泛关注。他们正在寻求海滩拾荒者的报告，庞德森就是因此听说这一事件的。大多数鞋子是在从美国俄勒冈州南部到加拿大温哥华岛被发现的（见图1），但更北的地方也发现了鞋子。庞德森认为，海洋学家可能对另一起意外释放的漂浮物也感兴趣，因此他在1993年夏天向他们提供了海滩追踪报告。庞德森还追踪到了一家制造沐浴玩具的公司，这家公司名为“友好的漂浮者”（Friendly Floatees）。他了解到，1992年1月10日，从香港运载玩具前往华盛顿州塔科马港的货船在太平洋中部遭遇了一场风暴。它的12个集装箱从系泊处脱落并被冲到船外。至少有一个集装箱中爆裂开来，释放出装满近30000个漂浮玩具的盒子。埃布斯迈尔和英格拉汉姆对庞德森的信息很感兴趣，并开始与他及其他报纸合作，向海滩拾荒者和灯塔看守人征求报告。为了更好地确定玩具被释放后自由漂浮的时间，他们购买了一个未开封的包装，让它放在一桶海水中。一天之内，将盒子固定在一起的胶水就变质了。他们利用这一结果做出假设：玩具在集装箱落水后不久就开始各自漂流。追算沐浴玩具的分布，需要修改OSCURS模型，增加风的影响。由于玩具被设计可以漂浮，它们在水中骑得更高，比鞋子或漂流瓶受风更大。通过将玩具的分布与鞋子和漂流瓶的分布进行比较，埃布斯迈尔和英格拉汉姆能够确定风和洋流对每种物体的影响。这使他们能够更精确地预测不同漂浮物体的轨迹。1994年，他们公布了建模结果以及对玩具未来登陆的预测，他们要求“帮助报告玩具或其他有趣的漂流物体的任何后续发现”（Ebbesmeyer & Ingraham 1994）。十多年来，埃布斯迈尔和英格拉汉姆收集了有关“友好的漂浮者”和耐克鞋被冲上岸的时间和地点的数据。人们1995年在阿拉斯加的阿留申群岛、1996年的华盛顿州、1997年的夏威夷、2003年的缅因州和苏格兰海岸以及2007年的英国德文郡海岸发现了它们。每隔两三年，锡特卡的海滩上就会出现一些玩具。通过将这些数据整合到OSCURS中，埃布斯迈尔和英格拉汉姆开始看到更大的模式。一些玩具会绕一圈，然后定期返回同一个地方，在那里，一些玩具会被推到离岸边足够近的地方，波浪（由于风引起的海洋运动）可以将它们冲到海滩上。其它的似乎“逃脱"了这个回路并被不同的水流捕获。据海滩爱好者报道，这些玩具在锡特卡附近定期出现超过15年，这使海洋学家能够确定海洋中的地表水（以及它携带的物体）绕着环流传播所需的时间。此外，海洋学家可以展示风如何影响一些玩具“逃逸”到其他大洋流中（Ebbesmeyer 等，2007）。他们的研究结果总结如图2所示。
图 2：地图显示了发现玩具、鞋子、漂流瓶的位置以及循环这些物品的大致圆形水流。摘自埃布斯迈尔等人2007年的发表。图片 © 2007.美国地球物理联盟。利用他们积累的数据，埃布斯迈尔和英格拉汉姆能够确定太平洋亚北极环流的速度，并确定一个物体完成这个环路只需要三年多的时间。在玩具意外释放之前，没有人能将所有数据放在一起以确定这些主要洋流的速度。如果没有所有进行观察并报告发现结果的海滩爱好者的帮助，海洋学家团队也无法做到这一点。
【考考自己】海滩拾荒者报告的关于友好漂浮者被冲上岸的时间和地点的数据被用来模拟__________。
a.友好的漂浮物来自哪里。
埃布斯迈尔和英格拉汉姆使用数值模型来完善我们对特定洋流的理解。数千年来人们都知道，海洋表层洋流以可预测的方式移动。人类为了探索、贸易、维持生计，在海洋中航行至少30000年。他们在航行时记录并共享对帮助和阻碍旅行的洋流和风的观察。这些记录帮助他们和其他航海家顺风和水流旅行，采取最安全、最快的路线。波利尼西亚人乘坐18米长的双壳独木舟旅行，在岛屿之间移动时在公海上生活数天或数周，探索并定居于南太平洋的岛屿。他们利用对星星的观测来辅助海洋航行，并培养了对洋流、风、岛屿的影响的敏锐感觉。波利尼西亚航海家通过口头和构建简笔图（一种航海地图）来分享他们的知识（图 3）。贝壳和结将由椰子纤维或木头的框架连接起来，以说明岛屿的相对位置。较小的弯曲纤维表示中间水域的主要水流、波浪、风向。
图 3：史密森尼学会人类学馆藏 马绍尔群岛的棒状导航图图片 © USNM 398227，史密森学会人类学系在十五世纪和十六世纪，许多欧洲国家，包括葡萄牙、西班牙、荷兰、英国、法国，在宗教、科学和文化好奇心以及对帝国统治的渴望的驱使下，出海探索全球各个地区。这些欧洲水手保留了详细的航海日志（航行事件的官方记录），记录了行进的距离，以及航海图上的速度和位置固定。在 十九世纪中期，领导美国海军海图和仪器部的马修·方丹·莫里 （Matthew Fontaine Maury） 开始从每艘船的航海日志中汇编记录。最终，莫里出版了一系列风向图和洋流图，收于综合性著作《海洋自然地理学》（The Physical Geography of the Sea）（图4）。
图 4：莫里的《海洋自然地理学》第 VI 版中包括墨西哥湾流在内的大西洋洋流图示很不幸，莫里制作这些详细图表的目标之一，是将美国的奴隶制扩展到南美洲，从而造成了复杂的后果。他的地图和日志以及对数据收集技术的标准化（参见“数据分析与数据解释：揭示并解释趋势”模块）非常重要，因为它们为我们如何评估天气、气候、物理海洋过程奠定了基础。然而，他的重点是绘制详细的洋流和风的第图，这些洋流和风促进了横跨大西洋的奴隶贸易。他所谓的“赤道大洋流”（“The Great Equatorial Current）将海水（和装满奴隶的船只）从西非输送到南美洲和北美东海岸（图4）。莫里的地图的中心是马尾藻海（Sargasso Sea），据描绘那里到处是海藻。海员把这里记录为一个安静的区域（a quiet zone）。克里斯托弗·哥伦布（Christopher Columbus）认为海藻标志着船已经靠近岸边，但他大错特错。这个位于北大西洋大致圆形洋流中的安静地带是距离任何海岸线最远的地方之一。缺乏水流和风，前往任何海岸都缓慢而艰巨。
【考考自己】莫里靠什么识别和编制《海洋自然地理学》中显示的一系列风和洋流图？
b.赤道大洋流
了解洋流
航海知识的累积，使我们能够在十九世纪00年代中期能够绘制主要的表层洋流。然而，“解释”洋流却经过了几十年的研究，它成为科学的一个新分支：海洋学（oceanography）。这是对海洋的科学研究，包括其物理、化学、生物特征。一个关键的进展来自北极，自然界本来就在漂浮的冰帮助我们深入了解水的运动。在1893年至1896年的一次探险中，挪威探险家弗里乔夫·南森 （Fridtjof Nansen）到达北极， 对海洋和冰山进行了详细的观察。探险前，南森主要对动物学感兴趣。但在北极呆了三年后回来时，他已经将注意力转移到了海洋学上，并出版了六卷的探险记录（Nansen 1902）。在报告中，南森描述了自己的观察结果，即冰山并没有像他预期的那样随风向漂移。相反，它们向风向右侧20°至40°的方向漂移。根据他的观察，南森提出假说：风向和洋流方向之间的恒定差异是由地球自转造成的。科里奥利效应（Coriolis effect）导致地球表面向北或向南移动的粒子明显偏离直线路径（参见“控制区域气候的因素”模块），这里是该效应的另一个影响。因为水的密度比空气大，南森认为科里奥利效应对海洋的影响一定比对风的影响更大。 南森的观察和假设引起了乌普萨拉大学数学家维尔海姆·比耶克内斯（Vilhelm Bjerknes）的注意，他以使用数学方程描述大气环流的工作而闻名。比耶克内斯要求学生埃克曼 （Vagn Walfrid Ekman）从数学上探索 南森的假说。埃克曼开发了一个方程来解释作用在海水最上层的力，并确定了两个来源：1）水面和吹过睡眠的风之间有摩擦，这导致最上层的水被拖曳到上覆的空气中（参见“控制区域气候的因素”模块）；2）地球在海水纬度的自转速度（Ekman 1905）。他指出，他忽略了大陆的位置且水的密度也会影响洋流。埃克曼方程组考虑了水的粘度，它比空气的粘度大得多。当风吹过海洋时，由于水的表面摩擦，它会将最上层水朝同一方向拖拽。因为水比空气更粘稠，所以它的移动速度更慢，在一小段时间内受科里奥利效应的影响向东或向西偏转得上方的空气更多。此外，当海洋的最上层移动时，它会拖动其下方的层。下层移动得更慢，因为只有上层的部分能量被转移，因此上层因为科里奥利效应而偏转更大。然后，该层会拖拽水柱中的更下层，以此类推，直到最上层海洋层从风中吸收的所有能量完全消散，通常离开最上层不到200米。当200米内各层的运动相加时，净运动方向大致垂直于风向，表面水流方向与风向成约45°（图5）。这种复杂现象被称为埃克曼输运（Ekman transport），埃克曼用数学解释了南森的观察。图 5：埃克曼输运的概念图。上覆层运动的摩擦与科里奥利效应相结合，导致后续海水层的方向和速度呈螺旋状。在盛行风的控制下，上层几百米海水的净运动大致垂直于风向。【考考自己】埃克曼的数学方程结合了______来模拟洋流的方向。b.水的密度
将洋流合到一起
到二十世纪中叶，表层洋流的模式及其原因已然清晰。大规模的洋流连接在一起形成环流，这些环流是横跨海洋的，大致是直径数千英里的圆形洋流（图6）。赤道以北的主要环流沿顺时针方向循环，赤道以南的环流逆时针方向旋转。由于大陆的分布，北纬60°的较小环流也逆时针旋转。漂浮物溢出被北太平洋漂流（图6）带走，并继续向北进入阿拉斯加洋流——北部环流之一。
图6：美国陆军特种训练司《世界地图集》中的洋流和海冰。陆军服务部队手册M-101（1943年）。北太平洋漂流是一种缓慢的暖水流，从西向东流淌，位于北纬 30 - 50 度，在太平洋中。它形成了北太平洋副极地环流的南部。环流内的平静地带占地数千平方公里，曾经以海藻和船速缓慢而闻名。现在，这些区域以其垃圾带而闻名——垃圾和废弃或丢失的渔具与天然海洋垃圾混合在一起，包括微塑料（由消费品分解形成的极小塑料碎片），甚至可能包括一些玩具“友好漂浮物”。埃克曼方程组也解释了环流及其平静的内部。由于埃克曼输运，表层以下的水倾向于向内推向循环流的中心。这就造成了海洋高度的差异——环流内部比接近大陆的环流边缘高出几米。构成小丘的内海水向外推，导致环流沿着海洋边界移动，产生我们在每个主要海洋中观察到的大尺度环流。洋流和气候
图6中的地图不仅包括流动水的方向，还显示了水的温度。地表水在赤道附近的海洋中流动时被加热。例如在太平洋中的南赤道洋流（South Equatorial Current），洋流转向南方的西太平洋，将温暖的海水向南带到澳大利亚和新西兰，然后，当水穿过南大西洋时，水会冷却，并在洪堡洋流（Humboldt current）中将冷水带到南美洲西海岸。类似的过程发生在每个主要环流中。对于我们的气候来说，重要的是，流动的水携带的不仅仅是船只、冰山、沐浴玩具等东西。洋流还以热量的形式在全球范围内携带能量。暖流将温水带到较冷的地区，影响区域气候。例如，墨西哥湾流是从墨西哥湾沿北美东海岸向北移动的暖流（图6）。暖流使北大西洋沿岸地区的区域气温升高了10摄氏度。洋流一直延伸到美国和加拿大的东海岸。由于地表温暖的水，洋流最终让高纬度的北欧带来比预期来得暖和。相比之下，南极环极洋流沿顺时针方向（从南极的角度）围绕南极洲流动。它是我们星球上最强的洋流，从海面延伸到海底。许多水手害怕从南美洲的顶端航行到南极洲的顶端，也被称为德雷克海峡（Drake Passage）。这一海峡以猛烈的风及海浪闻名。许多穿越它的水手称它为“德雷克摇摆”（Drake Shake）。南极环极洋流让南极洲在气候上与世隔绝，因为它是一种冷流，其水域永远不会向北移动以升温。此外，它还阻止了来自赤道地区的暖水。
【考考自己】海水在赤道附近的时候会被____________。
a.冷却
现今对地表洋流的研究
现今有了卫星，我们能够以高分辨率实时绘制和跟踪海洋表面洋流。我们将其用于天气预报、气候建模、污染物追踪。2010年，墨西哥湾的深水地平线海上石油钻井平台出现事故，数百万桶石油泄露到深海中。许多机构和科学家监测海面，追踪石油向海湾的扩散，划定“禁渔”区，并组织努力捕获释放的石油。多芬岛海洋实验室的蒙蒂·格雷厄姆（Monty Graham）记录了阿拉巴马州海岸钻井平台事故的后果。格雷厄姆搜索的海面上没有石油的痕迹。然而，他观察到小块白色泡沫状漂浮物（漂浮在海洋中的船只或货物残骸）与海藻混合。漂浮物向东西方向延伸了近六英里。就像庞德森追踪“友好漂浮物”的起源，格雷厄姆和同事也在寻找白色泡沫的起源。在清理人员的帮助下，他们发现了其他更大的相同材料，其中一块上面有制造商的名字。格雷厄姆和他的同事打电话给制造商，并确认白色泡沫来自石油钻井平台，是用于帮助维持从海底带油的管道的浮力的材料。这是一个令人振奋的消息：这意味着泡沫与石油同时从同一地点释放出来，但比石油更快地移动到海洋表面并沿着海洋表面移动。泡沫的移动速度比油快，原因与沐浴玩具相同：泡沫片漂浮得比油高，受风的影响更大。格雷厄姆和他的同事使用类似于OSCURS的模型来确定漂浮物可以用作浮油（海洋表面的一层油）未来路径的指标，提供预先警告，可以防止破坏性泄漏到达生态敏感区域（Carmichael等，2012）。除了OSCURS，还有一些新模型用于可视化全球洋流。图7是一个模型的输出，显示了海面温度（颜色）和水流速度（线的长度和方向）。在研究模型的过程中，出现了许多细节，包括称为漩涡的小圆形洋流、大陆东海岸的较快洋流、西海岸的较慢洋流等等。
图7：美国宇航局/戈达德太空飞行中心科学可视化工作室对全球海面洋流和温度的可视化。动画和更多信息可在 https://svs.gsfc.nasa.gov/3912 上找到 图片©：NASA诸如此类的模型正在帮助我们更多地了解：洋流如何运作，它们如何随着气候变化而变化。研究这些模型，可以帮助我们做好准备，减轻这些变化带来的影响。
资料来源：
Anne E. Egger, Ph.D., Ulyana Horodyskyj Pena, Ph.D., Emily Pope, Ph.D. “Ocean Currents” Visionlearning Vol. EAS-3 (7), 2022.
https://www.visionlearning.com/en/library/earth-science/6/ocean-currents/282
References
Carmichael, Catherine A., J. Samuel Arey, William M. Graham, Laura J. Linn, Karin L. Lemkau, Robert K. Nelson, and Christopher M. Reddy. "Floating oil-covered debris from Deepwater Horizon: identification and application." Environmental Research Letters 7, no. 1 (2012): 015301.
Ebbesmeyer, Curtis C., and W. James Ingraham Jr. "Shoe spill in the North Pacific." EOS, Transactions American Geophysical Union 73, no. 34 (1992): 361-365.
Ebbesmeyer, Curtis C., and W. James Ingraham Jr. "Pacific toy spill fuels ocean current pathways research." Eos, Transactions American Geophysical Union 75, no. 37 (1994): 425-430.
Ebbesmeyer, Curtis C., W. James Ingraham, Thomas C. Royer, and Chester E. Grosch. "Tub toys orbit the Pacific subarctic gyre." Eos, Transactions American Geophysical Union 88, no. 1 (2007): 1-4.
Ekman, Vagn Walfrid. "On the influence of the earth's rotation on ocean-currents." (1905).
Nansen, Fridtjof. "The oceanography of the North Polar Basin. The Norwegian North Polar Expedition 1893-1896." Scient. Results 3, no. 9 (1902).
